面向衛(wèi)星總體總裝信息的多層級融合模型與管理

王自軍，王新翔，王一全，趙佩麟

(中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

0 引言

衛(wèi)星總體總裝是衛(wèi)星從設(shè)計(jì)到實(shí)物、從單機(jī)到分系統(tǒng)再到整星[1]，多環(huán)節(jié)交叉融合的集成過程，其貫穿于衛(wèi)星的整個(gè)研制流程，具有協(xié)調(diào)和對接環(huán)節(jié)多、過程繁復(fù)控制點(diǎn)多、人工參與度高、難以標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)，衛(wèi)星產(chǎn)品的質(zhì)量和研制周期與總體總裝過程密切相關(guān)[2-3]。

衛(wèi)星總體總裝信息的高效定義、傳遞、共享利用和管理直接影響衛(wèi)星總裝的進(jìn)程，以及衛(wèi)星總裝過程能否快速銜接和準(zhǔn)確實(shí)施，從而保證總裝結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求的功能特性和物理特性[4]。目前，衛(wèi)星總體總裝信息主要采用非結(jié)構(gòu)化文檔定義、傳遞和共享，其數(shù)據(jù)分散、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，多部門之間的交互、協(xié)同、融合和應(yīng)用主要依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、分離、提取和重組，總裝執(zhí)行結(jié)果依靠人工逐項(xiàng)判讀，衛(wèi)星總體總裝信息這種定義、傳遞、應(yīng)用、檢查和控制管理模式，直接導(dǎo)致衛(wèi)星總體總裝信息數(shù)據(jù)難以便利化共享利用和協(xié)同交互，人工重復(fù)工作量大，而且數(shù)據(jù)的一致性存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，對復(fù)雜裝備尤其是航天器總裝信息化的研究持續(xù)推進(jìn)并不斷深入。劉博等[5]研究了基于工作流理念組織生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程的建模和數(shù)據(jù)管理方法；孫惠斌等[6]提出一種裝配執(zhí)行過程Petri網(wǎng)模型和裝配執(zhí)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)管理及監(jiān)控方法；孫剛等[7]提出航天器總裝工藝的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化方案，并研究了結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用技術(shù)；李曼麗等[8]研究了航天器總裝看板管理系統(tǒng)的原理和應(yīng)用；王建軍等[9]構(gòu)建了航天器系統(tǒng)工程工作流、工作包和產(chǎn)品包的數(shù)據(jù)模型，研究并建立了航天器系統(tǒng)工程研制管理平臺。從這些研究可以看出，總裝信息化研究多集中于總裝工藝或總裝執(zhí)行信息，而衛(wèi)星總體總裝則涵蓋衛(wèi)星總體總裝設(shè)計(jì)和衛(wèi)星總裝執(zhí)行，雖可參考但無法完全覆蓋。

目前衛(wèi)星研制正向全流程數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能制造快速發(fā)展，而且任務(wù)多、周期短、工作繁重、技術(shù)難度高，現(xiàn)有的衛(wèi)星總體總裝信息管理模式完全無法應(yīng)對，亟需針對衛(wèi)星總體總裝信息管理模式中存在的問題和難點(diǎn)，對衛(wèi)星總體總裝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，構(gòu)建面向衛(wèi)星總體總裝信息的多層級集成融合模型，基于此開展信息化管理方法研究，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總體總裝從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流無縫連接，為實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和驅(qū)動的衛(wèi)星智能制造打下基礎(chǔ)。同時(shí)，近年來數(shù)字孿生逐漸成為復(fù)雜裝備尤其是航天器智能制造研究的熱點(diǎn)[10]，數(shù)字衛(wèi)星即為衛(wèi)星的數(shù)字孿生體，其模型構(gòu)建和集成應(yīng)用研究已經(jīng)開展得如火如荼，本文構(gòu)建的衛(wèi)星總體總裝多層級融合模型則可作為數(shù)字衛(wèi)星的構(gòu)成部分，為開展基于數(shù)字孿生的衛(wèi)星智能制造打下基礎(chǔ)。

1 衛(wèi)星總體總裝

1.1 衛(wèi)星總體總裝概述

衛(wèi)星總體總裝是多環(huán)節(jié)串并行交叉、繁復(fù)迭代滾動推進(jìn)和閉環(huán)狀態(tài)控制的過程[1]，如圖1所示。衛(wèi)星總體總裝分為總體總裝設(shè)計(jì)、總體總裝過程定義和總裝現(xiàn)場執(zhí)行3個(gè)階段，其中總體總裝過程定義是對衛(wèi)星總體總裝設(shè)計(jì)結(jié)果，以及后續(xù)總裝現(xiàn)場執(zhí)行過程中涉及的“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”對象及其保障、輸入、操作、輸出和進(jìn)度安排等信息進(jìn)行定義，是衛(wèi)星總體總裝信息的主要形成階段；下游衛(wèi)星總裝現(xiàn)場執(zhí)行階段按照定義的總體總裝過程信息進(jìn)行細(xì)化并完成現(xiàn)場操作，而后逐項(xiàng)對照檢驗(yàn)，如果與總體總裝定義信息偏離，則需要更改總裝技術(shù)，并同步修改總體總裝定義的相應(yīng)信息。

1.2 當(dāng)前衛(wèi)星總體總裝信息的構(gòu)成

按照圖1所示的衛(wèi)星總體總裝業(yè)務(wù)過程，經(jīng)過總體總裝設(shè)計(jì)信息定義、總裝執(zhí)行、設(shè)計(jì)和執(zhí)行結(jié)果閉環(huán)對照檢查以及總裝過程中的技術(shù)更改，逐步形成衛(wèi)星總體總裝的定義、更改、執(zhí)行相結(jié)合的信息集合，各環(huán)節(jié)信息輸出如圖2所示，其中總體總裝過程定義是將總體總裝設(shè)計(jì)結(jié)果通過不同數(shù)據(jù)組織樣式描述定義，形成總裝配套及技術(shù)指標(biāo)、總裝技術(shù)條件、總裝階段技術(shù)狀態(tài)和總裝技術(shù)流程信息，即衛(wèi)星總裝的對象、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施流程，是下游衛(wèi)星總裝生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)；總裝現(xiàn)場執(zhí)行和總裝檢驗(yàn)測試是在細(xì)化總體總裝過程定義信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行總裝操作并形成操作記錄、專項(xiàng)狀態(tài)記錄、檢驗(yàn)記錄和固化狀態(tài)圖像等信息，即按衛(wèi)星總體總裝過程定義結(jié)果進(jìn)行實(shí)際操作執(zhí)行，總裝執(zhí)行結(jié)果依據(jù)衛(wèi)星總體總裝過程定義信息進(jìn)行正確性對照檢查；技術(shù)更改是對總裝現(xiàn)場執(zhí)行中出現(xiàn)的各類技術(shù)問題提出相應(yīng)的更改措施，形成技術(shù)更改記錄和更改執(zhí)行記錄等信息，是隨衛(wèi)星總裝執(zhí)行過程對衛(wèi)星總體總裝定義的動態(tài)修正。

2 衛(wèi)星總體總裝信息多層級融合模型

衛(wèi)星總體總裝信息的構(gòu)成要素在衛(wèi)星總裝業(yè)務(wù)中的作用分類如圖3所示，即裝配對象配套和技術(shù)指標(biāo)等的靜態(tài)基礎(chǔ)信息、總裝操作的動態(tài)過程信息、總裝現(xiàn)場執(zhí)行的結(jié)果信息、面向總體總裝各環(huán)節(jié)技術(shù)更改的控制信息。

2.1 衛(wèi)星總體總裝信息的數(shù)學(xué)表達(dá)

S=A∪Pi。

(1)

式中Pi?P，Pi是不屬于某個(gè)艙段ai的獨(dú)立整星級零件集合。某個(gè)艙段ai可以表示為

ai=Bj∪Pj。

(2)

bj=Uk∪Pk。

(3)

(4)

式中pl∈P，0≤w1≤wl≤w。

ti=Ci∪DEi∪STi。

(5)

衛(wèi)星總裝操作的動態(tài)過程信息包括總裝技術(shù)狀態(tài)和總裝技術(shù)流程信息，總裝技術(shù)狀態(tài)是預(yù)先設(shè)定的總裝過程階段性節(jié)點(diǎn)，總裝技術(shù)流程是總裝過程的業(yè)務(wù)工作集合，設(shè)TS={ts1,…,tsi-1,tsi}為i(i>0)個(gè)總裝技術(shù)狀態(tài)的集合，某個(gè)技術(shù)狀態(tài)tsj定義為

tsj={Tj∪TPj,ej}。

(6)

式中：Tj為tsj配套零件的靜態(tài)基礎(chǔ)信息集合；TPj為達(dá)到tsj階段要求所需完成的技術(shù)流程集合；ej為tsj的說明信息?？傃b技術(shù)狀態(tài)TS包含的所有總裝技術(shù)流程即為衛(wèi)星的總裝技術(shù)流程集合TP，

(7)

衛(wèi)星總裝執(zhí)行結(jié)果信息包括衛(wèi)星總裝執(zhí)行數(shù)據(jù)及其與衛(wèi)星總裝操作的動態(tài)過程信息對照檢查的結(jié)果數(shù)據(jù)，設(shè)衛(wèi)星總裝執(zhí)行結(jié)果信息集合為TR，

(8)

式中TRi為某個(gè)總裝技術(shù)狀態(tài)的總裝執(zhí)行結(jié)果信息集，

(9)

(10)

Ruk為某個(gè)零件或設(shè)備的裝配結(jié)果及檢測指標(biāo)信息集合，

Ruk={ruk;dek}，

(11)

ruk為裝配結(jié)果信息，dek為檢測指標(biāo)信息。

衛(wèi)星總體總裝信息的更改控制是對靜態(tài)基礎(chǔ)信息、動態(tài)設(shè)計(jì)信息和總裝執(zhí)行超差的技術(shù)調(diào)整或協(xié)調(diào)，是衛(wèi)星總裝過程中技術(shù)變更所需的必要管理手段，同時(shí)記錄了衛(wèi)星總裝實(shí)際的技術(shù)流程，為后續(xù)衛(wèi)星生產(chǎn)任務(wù)的總體總裝設(shè)計(jì)積累具有驗(yàn)證性的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。設(shè)TC為衛(wèi)星總體總裝的更改控制信息集，

(12)

式中tci為某個(gè)技術(shù)更改控制信息，

tci={obi;ri;cni}，

(13)

obi為技術(shù)更改的對象，如靜態(tài)基礎(chǔ)信息ti、技術(shù)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)tsi和技術(shù)流程節(jié)點(diǎn)tpi，ri為技術(shù)更改原因，cni為技術(shù)更改的內(nèi)容。

綜上所述，設(shè)SIn為衛(wèi)星總體總裝信息，

SIn=T∪TS∪TR∪TC，

(14)

則衛(wèi)星總體總裝信息是由多個(gè)層面和過程數(shù)據(jù)構(gòu)成的融合數(shù)據(jù)集。

2.2 衛(wèi)星總體總裝信息多層級融合模型結(jié)構(gòu)

基于衛(wèi)星總體總裝信息的數(shù)學(xué)表達(dá)采用面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程混合建模方式的多層級建模方法[11-12]，可以構(gòu)建涵蓋衛(wèi)星總體總裝信息的多層級融合模型，如圖4所示。和平面建模方法不同，多層級建模的模型結(jié)構(gòu)是三維立體的，其中涵蓋T的基礎(chǔ)層、TS的設(shè)計(jì)層、TR的執(zhí)行層和TC的更改控制層，每個(gè)層面均為面向?qū)ο蟮慕?，不同層模型之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系則是面向過程的建模。

3 基于多層級融合模型的衛(wèi)星總體總裝信息管理方法

圖5所示為信息化條件下基于多層級融合模型的衛(wèi)星總體總裝信息管理方法流程，本文以衛(wèi)星總體總裝信息的多層級融合模型為核心和基礎(chǔ)研發(fā)建立信息化條件下衛(wèi)星總體總裝信息管理方法，來替代以非結(jié)構(gòu)化文檔為載體和核心的傳統(tǒng)衛(wèi)星總體總裝信息管理方法，對衛(wèi)星總體總裝信息的數(shù)據(jù)組織形式和管理模式進(jìn)行變革，實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星總體總裝過程定義到總裝現(xiàn)場執(zhí)行閉環(huán)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)無縫銜接和協(xié)同利用，其中主要環(huán)節(jié)如下：

3.1 衛(wèi)星總體總裝信息定義

衛(wèi)星總體總裝信息定義是基于多層級融合模型的衛(wèi)星總體總裝信息管理的開始，也是衛(wèi)星總體總裝多層級融合模型主體數(shù)據(jù)的形成環(huán)節(jié)，包括全部配套的靜態(tài)基礎(chǔ)信息T的定義，以及所有衛(wèi)星總體總裝過程動態(tài)設(shè)計(jì)信息TS和TP的定義。

圖6所示為定義靜態(tài)基礎(chǔ)信息T的流程，其中衛(wèi)星靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的構(gòu)成對象來自衛(wèi)星的工藝物料清單(Process Bill of Material, PBOM)[13-14]，如果與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD)系統(tǒng)協(xié)同獲得衛(wèi)星的PBOM，則可以直接導(dǎo)入PBOM并補(bǔ)充定義，即獲得衛(wèi)星靜態(tài)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)T；如果不具有衛(wèi)星PBOM，則需全新定義衛(wèi)星的配套對象ti，待所有靜態(tài)基礎(chǔ)信息完成定義并固化后，將其導(dǎo)出作為衛(wèi)星PBOM構(gòu)建的基礎(chǔ)。

圖7所示為定義動態(tài)設(shè)計(jì)信息TS的流程，其中衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的配套設(shè)備信息來自圖6中定義的衛(wèi)星靜態(tài)基礎(chǔ)信息T，而每個(gè)總裝技術(shù)狀態(tài)tsj所包含的技術(shù)流程TPj定義的操作對象則來自tsj的配套信息Tj；同時(shí)，對衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)所屬的技術(shù)流程分別進(jìn)行固化，即衛(wèi)星靜態(tài)基礎(chǔ)信息T為整體固化，而衛(wèi)星總裝技術(shù)流程信息TPj為單個(gè)節(jié)點(diǎn)固化，待TPj全部固化后，其所屬的衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)tsj自動固化。

3.2 衛(wèi)星總裝執(zhí)行信息協(xié)同

完成衛(wèi)星總體總裝信息定義并固化后即發(fā)布進(jìn)入下游衛(wèi)星總裝生產(chǎn)執(zhí)行階段。衛(wèi)星總裝現(xiàn)場執(zhí)行過程以衛(wèi)星總體總裝定義信息TS和TP為依據(jù)，產(chǎn)生的衛(wèi)星總裝執(zhí)行數(shù)據(jù)TR與TP相互對應(yīng)并自動進(jìn)行符合性檢查，以顯示實(shí)際的衛(wèi)星總裝執(zhí)行進(jìn)程和執(zhí)行結(jié)果的正確性。圖8所示為衛(wèi)星總裝執(zhí)行信息協(xié)同流程，其中衛(wèi)星總裝執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)從下游制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)的數(shù)據(jù)庫中直接獲取，根據(jù)總裝動態(tài)設(shè)計(jì)信息TP數(shù)據(jù)匹配執(zhí)行數(shù)據(jù)的對應(yīng)項(xiàng)，并將執(zhí)行結(jié)果的實(shí)測數(shù)據(jù)與TP鏈接的靜態(tài)基礎(chǔ)信息T中的總裝指標(biāo)數(shù)據(jù)ST進(jìn)行符合性檢查，以判斷總裝執(zhí)行結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 衛(wèi)星總體總裝技術(shù)更改

衛(wèi)星總體總裝技術(shù)更改在衛(wèi)星總體總裝信息定義和衛(wèi)星總裝執(zhí)行過程中都存在，是按照總裝實(shí)際執(zhí)行情況對總體總裝設(shè)計(jì)結(jié)果的技術(shù)修正，其信息TC會作為修正靜態(tài)基礎(chǔ)信息T、動態(tài)設(shè)計(jì)信息TS和TP以及總裝執(zhí)行信息TR的記錄。圖9所示為衛(wèi)星總體總裝技術(shù)的更改流程，其中技術(shù)更改對象直接從靜態(tài)基礎(chǔ)信息ti、動態(tài)設(shè)計(jì)信息tsi和tpi以及總裝執(zhí)行信息tri中選擇并形成鏈接關(guān)系，更改原因從更改原因字典庫中匹配獲取，更改項(xiàng)則直接與需要更改的數(shù)據(jù)項(xiàng)形成鏈接關(guān)系，以便于追溯更改數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用上述研究成果，本文基于Java 2平臺企業(yè)版(Java 2 platform Enterprise Edition，J2EE)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用方案在Spring boot框架[15]上開發(fā)了瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)架構(gòu)的衛(wèi)星總體總裝過程信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括總體總裝新信息定義、總裝執(zhí)行信息協(xié)同、技術(shù)更改和審批控制等核心功能模塊，各功能模塊以圖4中的多層級融合模型為數(shù)據(jù)源，通過圖5中的數(shù)據(jù)獲取和集成接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互協(xié)同，下面以某型號衛(wèi)星總體總裝為例進(jìn)行說明。

圖10a所示為該系統(tǒng)的靜態(tài)基礎(chǔ)信息界面，其中靜態(tài)基礎(chǔ)信息結(jié)構(gòu)樹可以由衛(wèi)星產(chǎn)品的PBOM導(dǎo)入形成，也可以由逐個(gè)節(jié)點(diǎn)新建形成，圖中右側(cè)為以某電爆閥為例的靜態(tài)基礎(chǔ)信息面向?qū)ο蠖x界面，包括某電爆閥的基本信息、裝配關(guān)系和性能指標(biāo)信息。圖10b所示為該系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(jì)信息定義界面，其中動態(tài)設(shè)計(jì)信息結(jié)構(gòu)樹由衛(wèi)星總體總裝技術(shù)狀態(tài)和技術(shù)流程節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，圖10b以移植中板管路技術(shù)流程為例顯示面向?qū)ο蟮目傃b技術(shù)流程定義的各個(gè)項(xiàng)目，包括工作內(nèi)容、輸入條件、操作內(nèi)容、輸出成果、保障條件等，其中項(xiàng)目“操作內(nèi)容”定義了包括某電爆閥在內(nèi)的多個(gè)總裝操作對象和相應(yīng)的操作動作，而且定義的總裝操作對象能夠直接鏈接圖10a中定義的相應(yīng)的靜態(tài)基礎(chǔ)信息。

圖11所示為該系統(tǒng)總裝執(zhí)行信息的協(xié)同界面，其中圖11a為從MES數(shù)據(jù)庫中獲取衛(wèi)星總裝執(zhí)行結(jié)果信息并根據(jù)衛(wèi)星總體總裝設(shè)計(jì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配和指標(biāo)自動符合性檢查，圖中以移植中板管路技術(shù)流程總裝執(zhí)行結(jié)果為例，可見某電爆閥安裝到位，符合總裝動態(tài)設(shè)計(jì)的要求；圖11b為選中的衛(wèi)星總體總裝技術(shù)流程節(jié)點(diǎn)已完成的總裝結(jié)果的三維模型展示，即采用三維模型直觀展示該節(jié)點(diǎn)及前序過程中已完成總裝操作的設(shè)備和零件。圖11中的總裝動態(tài)信息結(jié)構(gòu)樹和對象信息均為鏈接圖10b中定義的總裝動態(tài)設(shè)計(jì)信息結(jié)構(gòu)樹和對象信息。

圖12所示為該系統(tǒng)的技術(shù)更改界面，用以對衛(wèi)星總體總裝信息進(jìn)行技術(shù)更改控制。圖中以某電爆閥靜態(tài)基礎(chǔ)信息技術(shù)更改為例，可見技術(shù)更改是信息面向?qū)ο蟮亩x，其中更改對象自動鏈接到某電爆閥的靜態(tài)基礎(chǔ)信息對象，更改原因數(shù)據(jù)項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)化的定制字段。

5 結(jié)束語

本文通過對當(dāng)前的衛(wèi)星總體總裝過程及其涉及的主要信息構(gòu)成進(jìn)行梳理，構(gòu)建了能準(zhǔn)確表達(dá)衛(wèi)星總體總裝信息的數(shù)學(xué)模型和適應(yīng)信息化數(shù)據(jù)傳遞的多層級融合數(shù)據(jù)模型，研發(fā)了基于衛(wèi)星總體總裝多層級融合模型的、具有實(shí)用操作性的信息管理方法。所有研究成果均在衛(wèi)星總裝過程信息管理系統(tǒng)中開發(fā)實(shí)現(xiàn)，并試用于多個(gè)衛(wèi)星任務(wù)型號，表明其能夠滿足現(xiàn)階段衛(wèi)星總體總裝信息的信息化管理要求，然而試用過程中也發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)協(xié)同、數(shù)據(jù)顆粒度和數(shù)據(jù)覆蓋度等方面還存在不足，需要進(jìn)一步深入研究并不斷向數(shù)字衛(wèi)星集成應(yīng)用推進(jìn)。